一起蒸發(fā)器爆管事故的原因分析及預(yù)防措施

張 堯， 蘇德林， 李光耀， 李 坎

(南通萬(wàn)達(dá)鍋爐有限公司， 江蘇南通 226014)

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一起蒸發(fā)器爆管事故的原因分析及預(yù)防措施

張 堯， 蘇德林， 李光耀， 李 坎

(南通萬(wàn)達(dá)鍋爐有限公司， 江蘇南通 226014)

分析了余熱鍋爐蒸發(fā)器爆管是由于流動(dòng)加速腐蝕而導(dǎo)致管壁減薄的情況，提出減少鍋爐啟停次數(shù)及控制水質(zhì)、蒸發(fā)器材料采用低合金鋼管和大彎曲半徑彎頭，鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)增加工作壓力來(lái)提高蒸發(fā)器飽和溫度等整改措施。

余熱鍋爐； 蒸發(fā)器； 爆管； 流動(dòng)加速腐蝕

鍋爐管爆管時(shí)，水汽會(huì)大量噴出，常形成鍋爐缺水，必須迅速正確地處理。某冶金單位一臺(tái)余熱鍋爐出現(xiàn)爆管后檢修，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)管壁上部變薄，位置為管束進(jìn)集箱處。筆者從該爆管特征、管束材質(zhì)及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況等入手，對(duì)可能導(dǎo)致爆管的原因進(jìn)行了分析，提出了改進(jìn)措施，滿(mǎn)足了鍋爐運(yùn)行要求。

1 故障情況

1.1 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)

本鍋爐立式布置、自然循環(huán)，蒸汽段(見(jiàn)圖1)由進(jìn)口集箱、出口集箱和管束組成。集箱由d=219 mm,δ=10 mm的鋼管(材料為20/GB 3087)制成；管束由d=51 mm,δ=3 mm的鋼管(材料為20/GB 3087)加焊環(huán)向繞翅片(規(guī)格：螺距8 mm、高度24 mm、厚度1 mm)制成。煙氣(進(jìn)口溫度322 ℃)從上向下橫向沖刷各組蒸發(fā)器。爐水通過(guò)兩根集中下降管進(jìn)入分配集箱，由連接短管引入蒸發(fā)器各下集箱。工質(zhì)在管束內(nèi)被加熱為汽水混合物，產(chǎn)生的汽水混合物經(jīng)上集箱由連接管引入鍋筒。

圖1 蒸發(fā)器示意圖

1.2 故障檢查

該鍋爐投入運(yùn)行不到一年，已發(fā)生多次爆管，封堵比例達(dá)1/4，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，損壞位置為第一組蒸發(fā)器。第一排蒸發(fā)器管箱直接與煙氣進(jìn)口連接，該排管熱負(fù)荷最大，煙氣條件及流場(chǎng)波動(dòng)對(duì)該排管束內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)工況產(chǎn)生較大的影響，表現(xiàn)在該管段內(nèi)汽水比例及介質(zhì)流速的波動(dòng)，波動(dòng)達(dá)到一定程度會(huì)造成管壁的磨損。

局部區(qū)域爆管在同類(lèi)型鍋爐中并不常見(jiàn)，現(xiàn)場(chǎng)所截取的管段表明爆管原因是管壁厚減薄。而減薄區(qū)域全部發(fā)生在管子上半部?jī)?nèi)表面，從彎頭處開(kāi)始逐步軸向延伸，徑向上頂點(diǎn)最薄，進(jìn)而沿圓周向兩側(cè)均勻過(guò)渡，手感光滑，無(wú)明顯凹坑頓挫感 (見(jiàn)圖2),各管的最大減薄量在0.1～1.8 mm，此排管束壁厚及第二層管束(沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

圖2 管子減薄區(qū)域示意圖

表1 管束壁厚的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果 mm

表1(續(xù))

另外從鍋筒內(nèi)清理出的鐵屑(見(jiàn)圖3)足足超過(guò)10 kg，這些鐵屑一直沉積在鍋筒底部，取樣檢測(cè)到水質(zhì)有變，但無(wú)法采取有效措施，導(dǎo)致其越積越多。對(duì)鍋筒中沉渣樣進(jìn)行分析結(jié)果見(jiàn)表2，水垢化驗(yàn)分析結(jié)果見(jiàn)表3。

圖3 鍋筒鐵屑

表2 鍋筒沉渣樣分析結(jié)果 %

表3 鍋爐爆管水垢化驗(yàn)分析結(jié)果 %

燒結(jié)爐受熱管內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)有紅色鐵的氧化物存在，初步判定為沉渣。壁厚減薄的管子外觀良好，無(wú)外部腐蝕，因此可確定壁厚減薄是由內(nèi)向外腐蝕的結(jié)果；腐蝕區(qū)域面積大，內(nèi)壁表面存在大量密密麻麻的蜂窩狀蝕坑，壁厚減薄明顯。據(jù)反映爐窯工藝生產(chǎn)過(guò)程是周期性的，煙氣波動(dòng)大，蒸發(fā)量不穩(wěn)定。

2 原因分析

2.1 鍋爐蒸發(fā)器爆管原因

鍋爐蒸發(fā)器爆管一般原因歸納為：

(1) 給水水質(zhì)不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，甚至沒(méi)有進(jìn)行給水處理，使管子結(jié)垢或腐蝕，造成管壁過(guò)熱、強(qiáng)度下降使管子破裂。

(2) 管內(nèi)水循環(huán)遭到破壞，水循環(huán)停滯、倒流或汽水分層、下降管帶汽等。

(3) 煙氣長(zhǎng)期磨損，特別是受熱面管子處于煙氣拐彎處或正面被沖刷處。

(4) 設(shè)計(jì)缺陷，強(qiáng)度計(jì)算、壁溫計(jì)算等不符合要求。

(5) 鍋爐受熱面管管材不合格，在制造安裝時(shí)未發(fā)現(xiàn)裂紋、夾層、結(jié)疤、夾渣，或焊縫質(zhì)量不好等。

(6) 運(yùn)行管理不善，缺乏運(yùn)行管理制度，操作水平不規(guī)范，甚至違章等操作[1]。

2.2 爆管部位分析

圖4為管子腐蝕減薄區(qū)域示意圖，打剖面線(xiàn)部分為腐蝕減薄區(qū)?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)爆管割管檢查，減薄區(qū)位于出口集箱處，沿工質(zhì)流向在彎頭及彎頭前部區(qū)域。該管子設(shè)計(jì)計(jì)算壓力1.6 MPa，計(jì)算溫度取260 ℃,按GB/T 16507.4—2013 《水管鍋爐受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》，設(shè)計(jì)計(jì)算厚度為1.79 mm,取用3 mm,完全符合要求。鍋爐管子爆管與設(shè)計(jì)壁厚選擇無(wú)直接關(guān)系。

圖4 管子腐蝕減薄區(qū)域示意圖

蒸發(fā)器整個(gè)回路采用自然循環(huán)，根據(jù)水動(dòng)力計(jì)算，第一組蒸發(fā)器在各運(yùn)行工況下局部循環(huán)倍率最小為11，循環(huán)流速0.31 m/s,工質(zhì)運(yùn)行溫度190 ℃。對(duì)同一根管子而言，頂部含汽量最大，汽水混合物流速最高。與出口集箱連接管子彎頭附件，汽水混合物的流向在此改變，極易發(fā)生沖刷腐蝕。

求得的雷諾數(shù)Re=109<2 000,因此工質(zhì)處于層流狀態(tài)。文獻(xiàn)[2]中規(guī)定對(duì)流受熱面不發(fā)生汽水分層的最低質(zhì)量流速300 kg/(m2·s)，該排管束質(zhì)量流速雖然小于此數(shù)值，但考慮到運(yùn)行工況是低溫低壓，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)是安全可靠的[2]。

2.3 流動(dòng)加速腐蝕(FAC)

流動(dòng)加速腐蝕(FAC)，即通常附著在碳鋼表面上的保護(hù)性磁性鐵垢(Fe3O4)保護(hù)層溶解到了流水或濕蒸汽流中。流動(dòng)加速腐蝕主要發(fā)生在疏水管線(xiàn)、輔助給水管線(xiàn)、汽水分離層中流速不太高的管道中。碳鋼管道流動(dòng)加速腐蝕的微觀機(jī)理分為三步：第一步，電化學(xué)反應(yīng)，鐵原子被氧化，在金屬-氧化膜界面上不斷產(chǎn)生新的亞鐵離子；第二步，亞鐵離子在多孔的氧化膜中擴(kuò)散；第三步，氧化膜-水流界面上的亞鐵離子溶解，擴(kuò)散進(jìn)入流體的邊界層中，并被流體帶走。

其中，電化學(xué)反應(yīng)的陰極和陽(yáng)極反應(yīng)如下：

陰極

Fe→Fe2++2e-

(1)

陽(yáng)極

O2+2H2O+4e-→4OH-

(2)

生成的亞鐵離子和氫氧根離子結(jié)合為氫氧化亞鐵，而氫氧化亞鐵不穩(wěn)定，會(huì)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的四氧化三鐵保護(hù)膜，吸附在碳鋼表面。反應(yīng)方程式如下：

Fe2++2OH-?Fe(OH)2

(3)

4Fe(OH)2+2H2O+O2?4Fe(OH)3

(4)

水溶液中Fe(OH)2與Fe(OH)3相互碰撞，生成Fe3O4。在流速不高的情況下，F(xiàn)e3O4氧化膜逐漸溶解于流體中并被流體帶走，于是新的Fe3O4氧化膜形成，再被溶解、帶走。當(dāng)Fe3O4溶解于水或汽水混合物的速度大于Fe3O4的生成速度，并且流體還將腐蝕反應(yīng)的中間產(chǎn)物帶走，這就促進(jìn)腐蝕反應(yīng)正向進(jìn)行，此過(guò)程持續(xù)進(jìn)行,碳鋼管壁就發(fā)生了減薄現(xiàn)象(見(jiàn)圖5)。

圖5 FAC機(jī)理及影響因素

2.4 流動(dòng)加速腐蝕影響因素

現(xiàn)場(chǎng)爆管主要發(fā)生在煙氣流向第一層受熱面，減薄區(qū)域全部發(fā)生在管子上半部?jī)?nèi)表面，管子金屬外觀良好，無(wú)外部腐蝕，這些現(xiàn)象與FAC很相似。

影響流動(dòng)加速腐蝕的主要因素有溫度、工質(zhì)流速、材料中合金元素及給水化學(xué)成分等。流動(dòng)加速腐蝕最容易發(fā)生的溫度在120～190 ℃，最嚴(yán)重在150 ℃，F(xiàn)e3O4在150 ℃水中溶解度最大，腐蝕速度也達(dá)到了最大值。在碳鋼中加入易鈍化的Cr、Ni、Mo等合金元素，這些金屬自身不但容易形成結(jié)構(gòu)致密的耐蝕氧化膜，還有助于碳鋼表面形成結(jié)構(gòu)致密的羥基氧化鐵保護(hù)膜。

3 預(yù)防措施

3.1 整改

由于該臺(tái)蒸發(fā)器管損壞嚴(yán)重，已無(wú)法修復(fù)，只能作更換處理，對(duì)壁厚減薄的管子用12Cr1MoVG材料進(jìn)行局部替換。在處理爆管管束時(shí)，首先要將破裂部位連同附近變形管段一起割除，并向外延伸100 mm,在更換短管時(shí)，對(duì)接焊縫間距不小于150 mm；其次不得在彎頭處割斷，要連同彎管一起割換；再次對(duì)事故管不能采取截?cái)喽陆臃?；最后在修?fù)后按TSG G0001 《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的要求，對(duì)鍋爐本體進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

鍋爐運(yùn)行中，應(yīng)盡量避免由于壓力隨負(fù)荷波動(dòng)頻繁劇烈，減少鍋爐啟停；做好水處理工作；按規(guī)定加藥，按制度做好排污工作。對(duì)系統(tǒng)水汽控制工況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以減緩蒸發(fā)器系統(tǒng)的FAC。目前可利用鍋筒的加藥系統(tǒng)，通過(guò)此加藥系統(tǒng)往低壓爐水添加氨水來(lái)提高低壓爐水的pH值，控制其在9.5～9.7[3]。

3.2 預(yù)防

由于余熱鍋爐的入爐煙溫度和煙氣流量及鍋爐運(yùn)行受整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)負(fù)荷變化的影響大，在鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)產(chǎn)生余熱煙氣的特點(diǎn)，計(jì)算不同工況運(yùn)行條件。通過(guò)本次事故分析，筆者認(rèn)為應(yīng)在以后設(shè)計(jì)中進(jìn)行優(yōu)化：

(1) 煙氣流向第一、二排管子的吸熱量占蒸發(fā)受熱面比例最多，彎頭部分由于渦流作用，擾動(dòng)加劇，大大提高了腐蝕速率，從鍋爐運(yùn)行安全可靠、經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮，盡量將可能存在流動(dòng)加速腐蝕區(qū)域的碳鋼管子更換為低合金鋼管子，如15CrMoG、12Cr1MoVG或T22鋼；采用大彎曲半徑彎頭或直管段的形式改善流場(chǎng)[4]。

(2) 余熱煙氣波動(dòng)大，蒸發(fā)量不穩(wěn)定，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能提高工作壓力，以提高蒸發(fā)器飽和溫度。蒸發(fā)器壁面處介質(zhì)劇烈相變過(guò)程對(duì)金屬氧化膜有很強(qiáng)的破壞作用，在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)運(yùn)行要求下，熱負(fù)荷較大的回路中，盡量采用單獨(dú)的循環(huán)回路，使局部循環(huán)倍率大于50，循環(huán)流速應(yīng)大于0.4 m/s。

對(duì)于已經(jīng)投產(chǎn)的機(jī)組，運(yùn)行操作過(guò)程中應(yīng)采取以下措施：

(1) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)低壓給水、爐水、飽和蒸汽、過(guò)熱蒸汽中氫氣含量及鍋筒腐蝕情況，尤其是只有鍋筒無(wú)除氧器余熱爐。

(2) 利用機(jī)組檢修機(jī)會(huì)，在FAC腐蝕易發(fā)區(qū)，即高溫?zé)煔鈧?cè)對(duì)管子局部進(jìn)行測(cè)厚或割管檢查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)消除。

(3) 優(yōu)化余熱鍋爐運(yùn)行工況，從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行入手，設(shè)法減小煙氣溫度變化幅度及頻率[3-4]。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)余熱鍋爐蒸發(fā)器爆管事故的原因進(jìn)行分析，得出流動(dòng)加速腐蝕及余熱煙氣波動(dòng)大導(dǎo)致管束在出口集箱處爆管，并從設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行方面提出了預(yù)防和控制措施。如有條件，也可建立壁厚減薄的數(shù)學(xué)模型，編制計(jì)算機(jī)程序，計(jì)算碳鋼管道剩余壁厚。

[1] 劉樹(shù)禮, 劉宇航. 工業(yè)鍋爐安裝、運(yùn)行、維修禁忌手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.

[2] 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究所. 電站鍋爐水動(dòng)力計(jì)算方法: JB/Z 201—1983[S]. 上海: 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究所, 2001.

[3] 王利宏, 單建明, 李偉, 等. 聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐中的流動(dòng)加速腐蝕[J]. 發(fā)電設(shè)備, 2010, 24(6): 409-413, 429.

[4] 黃杰. 低壓蒸發(fā)器換熱管泄漏原因分析及處理措施[J]. 廣東電力, 2013, 26(5): 107-110.

Cause Analysis on Tube Burst Accident of an Evaporator and the Preventive Measures

Zhang Yao, Su Delin, Li Guangyao, Li Kan

(Nantong Wanda Boiler Co., Ltd., Nantong 226014, Jiangsu Province, China)

An analysis was conducted on the tube burst accident of a waste heat boiler's evaporator, which was found to be caused by thickness reduction of the tube wall due to flow-accelerated corrosion. To prevent such failures from happening again, corrective measures were proposed, such as reducing the start/stop frequency of boiler, control the water quality, adopting the low-alloy steel as evaporator material, enlarging the radius of tube bends, raising the working pressure during boiler design to improve the saturation temperature of evaporator, etc.

waste heat boiler; evaporator; tube burst; flow-accelerated corrosion

2016-07-27；

2016-08-24

張 堯(1985—)，男，工程師，長(zhǎng)期從事余熱鍋爐產(chǎn)品的研發(fā)與設(shè)計(jì)工作。E-mail: 261334369@qq.com

TK227

A

1671-086X(2017)03-0219-04